某船用低速柴油機曲拐箱爆炸原因分析

張云龍　王文育

【摘 要】 從事故調查的角度出發，以事故經過、現場調查為基礎，分析二沖程低速柴油機曲拐箱爆炸的成因。在一些特定的條件下，如果管理不善，船用二沖程低速柴油機還是會發生類似于“曲拐箱爆炸”的重大機損事故，管理人員應引起重視。

【關鍵詞】 缸頭漏水；汽缸水擊；倒車沖車；軸承干摩；閃爆；曲拐箱爆炸

1 事故概述

某船由德國VULKAN船廠建造，1994年出廠，為 TEU的集裝箱船，機艙配備額定功率為34 380 kW，SULZER NSD 9RTA84C型的直流掃氣低速主機，營運轉速為97 r/min。

某日，該船在錨地拋錨。次日凌晨，駕駛臺通知備車，準備進港。約10 min后，主機備妥；約20 min后，起錨離底，駕駛臺動車，正車操主機，從DEAD SLOW逐步上升到HALF車令。當動車約5 min時，機艙發出沉悶的爆炸聲，同時火警報警，主機自動減速。機艙致電駕駛臺，立即停車。響聲過后，機艙出現濃煙、局部火燒，初步判斷為主機曲拐箱爆炸，造成機損。船舶失去動力，由拖船拖帶至碼頭，靠泊后進行主機檢查和修理。

2 事故調查

低速二沖程柴油機曲拐箱爆炸的現象比較罕見。船管公司立即組織人員到現場查明事故原因，以吸取教訓，避免類似事件再次發生。調查小組隨即開展資料收集等相關的事故調查、取證工作。

2.1 事故經過

某日1610時，該船抵錨地拋錨，主機完車，準備次日凌晨靠泊。1800時，輪機部決定利用船舶拋錨的間隙，對主機No.6排氣閥進行更換。2030時，No.6排氣閥更換完畢。2200時，主機完成壓水，加溫暖缸，主機系統恢復正常。

次日凌晨0225時，機艙高溫膨脹，水箱低位報警，當值輪機員下機艙處理報警，對報警原因進行了簡單查找，沒有發現特別異常。0320時，駕駛臺通知機艙備車，準備進港靠泊，當值輪機員及機工下機艙進行備車；隨后備車完畢，準備沖車。0332時，集控室手動控制，沖車，主機轉速10 r/min，發現No.3缸示功閥有水柱噴出，機工立即將情況報告在集控室操車的值班輪機員；值班輪機員繼續進行第2次沖車，主機沒有轉速，從No.3缸示功閥噴出的水量減少；緊接著，值班輪機員進行第3次沖車，本次為倒車沖車，主機轉速 10 r/min；此時，No.3缸示功閥沒有水噴出，值班輪機員命令機工關閉所有缸示功閥。0336時，值班輪機員在集控室正車啟動主機，啟動正常。0338時，主機轉換為駕駛臺自動控制，駕駛臺操縱，主機正、倒車啟動正常，備車完畢，等待起錨進港；在備車時，共動車6次，其中集控室動車4次，第2次為倒車沖車。約等待12 min后，起錨離底，準備正式用車。

0350時54秒，駕駛臺操主機正車DEAD SLOW（指令主機轉速25 r/min）；0351時01秒，主機轉速達30 r/min；駕駛臺開正車SLOW（指令主機轉速38 r/min）；0351時14秒，主機轉速達41 r/min；0354時44秒，開HALF （指令主機轉速52 r/min），主機實際轉速47 r/min；0355時36秒，動車約5 min，主機油霧因濃度高報警；0355時41秒，機艙火警報警（以上數據采自于車鐘自動記錄儀以及報警自動打印儀）。

幾乎在報警的同時，機艙突然發出沉悶的爆炸聲，主機自動減速。機艙致電駕駛臺，并立即停車。船長感到事態嚴重，命令原地拋錨，要求機艙查清原因。在巨響過后，機艙出現濃煙，能見度不足1 m，主機周圍易燃物被引燃，多只燈罩及透平濾網燒毀。

經船方初步檢查，判斷為主機曲拐箱爆炸。

2.2 現場調查

在現場，主機No.3缸已被全面拆開，由專業廠家進行檢查、修理，更換已有嚴重裂縫、漏水的缸頭，以及對曲拐箱內的十字頭下瓦、連桿軸瓦、該缸前后主軸瓦、各處軸頸等進行檢查、修理。這些軸瓦有明顯的局部損壞，并存在局部與軸徑粘連后嚴重的拉毛現象，相關軸徑也有不同程度的拉毛損傷。

在現場可以看到，主機側面共有9個防爆門，已有8個防爆門有開啟的痕跡。防爆門開啟處有明顯的燒痕，特別是No.3缸的防爆門，燒痕較為明顯，說明曲拐箱爆炸的主要位置在No.3缸附近。

現場沒有發現在曲拐箱內有明顯的著火點及燃燒痕跡。查看已更換下來的No.3缸缸頭，發現缸頭內部裂縫非常大，在排氣閥座下方的觸火面已有長約75 cm的裂縫，大量的水從該裂縫處漏出，進入燃燒室。裂縫處有明顯的、由于漏水而形成的銹跡。

該船舶膨脹水箱為手動補水，而在4 h左右的時間內，漏水逾1 m3，可見該裂縫較大。在膨脹水箱低位報警后，當值輪機員下機艙處理，并對報警原因進行了簡單查找，但未作進一步檢查，失去一次發現問題的絕佳機會。

在發生故障時，該缸蓋換新后已運行了 h，觸火面有多處明顯裂紋，包括噴油嘴附近的小裂縫（未穿透）以及已大量漏水的排氣閥座下的一圈大裂縫。從該缸已有的裂縫看，裂縫多、長、深、寬。這些裂縫的形成應該有一個發展過程，特別是排氣閥下裂縫的形成和逐步滲漏應有一定的時間了。該缸在1個月前進行吊缸檢修時沒有發現相關裂縫痕跡，吊缸后只運行了561 h，說明吊缸時對缸頭檢查不夠認真。在事發前10天，輪機部人員進行了掃氣箱清潔。大管輪負責掃氣箱內部清潔和燃燒室內部檢查，輪機長負責主機外部，從小道門處對主機內部進行檢查。此次檢查均未發現No.3缸有滴水痕跡等異常情況，說明檢查有可能存在不到位的地方。船舶失去了吊缸時檢查、掃氣箱檢查2次發現隱患的良好機會。

據輪機長反映，主機單缸冷卻使水閥無法關嚴，在換No.6排氣閥時，需對整臺主機放水，因此，在換排氣閥完工后對高溫冷卻系統進行大量且長時間的補水，造成主機冷、熱變化范圍大，局部熱應力大，可能導致原有的裂縫加速開裂。

3 事故原因

從以上調查到的情況分析，事故原因為“缸頭漏水，形成水擊，損壞軸瓦，造成干摩，引發曲拐箱爆炸”。

具體原因分析如下：

在停機狀態時，No.3缸活塞正處于壓縮沖程，封閉了掃氣口。由于No.3缸缸頭的排氣閥座下方觸火面出現裂縫，大量向燃燒室內漏水，一小部分水通過不能完全密封的活塞令漏到掃氣箱內，大量的水積聚在該缸活塞頭頂，但此時的缸套內并未完全積滿水。

在第一次沖車時（主機轉速10 r/min），相鄰缸進入壓縮空氣，帶動該缸活塞上行。在壓縮空氣的動力下，No.3缸活塞快速向上運動，引發缸內水擊。巨大的沖擊力從活塞傳到曲拐箱內的十字頭瓦、連桿軸瓦以及該缸前、后的主軸瓦等，導致相關部件損壞。本次沖車示功閥為開啟狀態，可以釋放一定的壓力，因此，作用在運動部件上的水擊力量相對要小一點。由于在第一次沖車的作用下該缸活塞上部全部積滿了水，第二次沖車主機沒有運轉，也就不至于形成水擊而傷害主機。在緊接著的一次倒車過程中，積聚在活塞上部的水通過掃氣口全部釋放到了掃氣箱內，因此，在以后的沖車及啟動中，主機表現為正常狀態。

在備車完畢等待起錨的這12 min內，No.3缸又正好處于壓縮沖程，缸頭又形成一定量的積水。在啟動時，由于該缸示功閥為關閉狀態，形成了更為嚴重的水擊。

在主機運行過程中，氣缸內形成一定的壓力，迫使內漏減輕或消失，甚至缸內燃氣會倒灌到水系統中，即使還有少量漏水，在掃氣口打開時，水就進入掃氣箱，因此，在主機運轉時是不會造成水擊的。

從以上分析可以判斷，造成主機相關軸瓦損壞的過程主要是在第一次沖車及主機正式啟動時No.3缸形成的水擊作用。

在這2次的水擊作用下，巨大的沖擊力使該缸相關軸瓦局部損壞，并與軸徑粘連，軸承間沒有間隙，無法建立油膜。

在主機開始運行時，相關損壞軸承局部干磨，使軸承間干磨處的溫度快速升高。在開始運行到發生爆炸的這5 min時間內，為一個加熱過程，軸承周圍的油快速蒸發，形成油氣，與曲拐箱內的空氣混合，油氣濃度達到爆炸上限。同時，這5 min的干磨過程也是損壞的軸承間形成著火熱源的過程。

損壞的軸承周圍油氣溫度達到了該油氣的閃點（200℃左右），遇到軸承間干磨產生的熱源點，點燃了曲拐箱內油氣和空氣的混合物，瞬間發生化學爆炸（稱之為“閃爆”），致使曲拐箱內壓力急速升高，沖開防爆門。“閃爆”的油氣沖出曲拐箱，形成火球，掃過主機周圍并快速向上竄，在火球經過的路徑上，將可燃物燒掉。由于機艙內沒有堆放大量的可燃物，火球在燒完后自然熄滅，并留下燃燒痕跡。機艙內沒有形成真正的火災，得益于該船舶對機艙的清潔、整理，沒有亂堆、亂放，且主機周圍比較整潔。

曲拐箱內發生的化學爆炸需要消耗大量的空氣，原有的空氣和油氣混合物在“閃爆”后沖出了曲拐箱，導致曲拐箱內缺少新鮮空氣。由于來不及從曲拐箱透氣孔（自閉式）補充新鮮空氣，所以“閃爆”后的油氣沖出曲拐箱后，在曲拐箱內沒有形成真正的燃燒，就不存在燃燒痕跡。

至于著火點，也就是熱源點，應該是在No.3缸的某軸瓦與軸徑的干磨處，但無法判斷具體位置。這是因為產生高溫的時間短（主機僅運行5 min），還不足以使軸徑發藍（500～600℃），并且在著火后，主機還運行了1 min左右，即使留下輕微的著火點痕跡，也在繼續運行的這1 min內被磨掉了。

4 結 語

以上事實說明，船用低速柴油機運行比較平穩、可靠，但在一些特定的條件下，還是會發生“曲拐箱爆炸”之類的重大機損事故。